Содержание к диссертации
Введение
1 Общий анализ состояния ГГС 17
1.1 Общяя характеристика ГГС 17
1.2 Общая характеристика главной высотной основы России 26
1.3 Анализ факторов, приводящих к утрате геодезических центров и реперов 28
1.4 Сравнительный анализ типов центров и реперов государственной геодезической сети
1.4.1 Сравнительный анализ типов центров Государственной геодезической сети 1 – 4 классов 34
1.4.2 Сравнительный анализ типов центров реперов нивелирования I и II клаcсов 38
1.4.3 Анализ характеристик пунктов государственных нивелирных сетей I и II классов в историческом и географическом аспектах 42
1.5 Выводы по разделу 1 47
2 Разработка и исследование методик для оценки влияния процессов, обусловленных глобальными изменениями климата, на состояние геодезическойосновы в многолетней мерзлоте 50
2.1 Влияние глобального потепления на многолетнюю мерзлоту 50
2.2 Анализ влияния многолетней мерзлоты на глубины закладки геодезических центров 52
2.3 Разработка методики оценки глубин протаивания грунта и их изменений для определения глубины закладки геодезических центров на территории Якутии
2.3.1 Основные положения и общие сведения о картах протаивания 55
2.3.2 Составление Карты глубин протаивания грунта на территории Якутии для расчета глубины закладки геодезических центров 57
2.3.3 Сравнительное исследование карты глубин протаивания грунта на территории Якутии с использованием материалов предшествующего периода з
2.3.3.1 Сравнение с «Картой промерзания и протаивания грунтов для определения глубины закладки центров и реперов» 64
2.3.3.2 Сравнение со «Схемой районирования Якутской АССР по значениям глубин сезонного оттаивания» 66
2.3.3.3 Сравнение с картой «Сезонное промерзание и протаивание грунтов» 68
2.3.4 Составление карты глубин протаивания грунта на территории Якутии
в современных программах интерполяции 69
2.3.4.1 Общая характеристика и сравнительное исследование методов интерполяции 69
2.3.4.2 Построение карты глубин протаивания грунта Якутии методом кригинга 75
2.4 Разработка методики учета влияния эрозионных изменений берегов арктических морей на геодезическую основу (на примере моря лаптевых и восточно - сибирского моря) 89
2.4.1 Общие сведения и постановка задачи 89
2.4.2 Анализ центров и реперов на побережье Восточно – Сибирского моря 98
2.4.3 Анализ центров и реперов на побережье моря Лаптевых 101
2.4.4 Выявление геодезических центров скального типа на побережье моря Лаптевых и Восточно – Сибирского моря 104
2.5 Выводы по разделу 2 112
3 Предложения по учету влияния изменений климата на стабильность геодезической основы в районах многолетней мерзлоты 115
3.1 Использование новых данных о наибольших глубинах протаивания грунта для оценки состояния пунктов государственной геодезической сети на территории якутии 115
3.2 Макет реализации сайта электронной карты протаивания 120
3.3 Разработка предложений по оптимизации расположения пунктова фагс, вгс и сгс-1 относительно пунктов гво в многолетней мерзлоте 126
3.3.1 Построение карты разностей гравиметрических и геометрических аномалий 126
3.3.2 разработка предложений по оптимальному планированию развития спутниковых и нивелирных сетей в многолетней мерзлоте 132
3.4 Выводы по разделу 3 139
Заключение 142
Список литературы
- Сравнительный анализ типов центров и реперов государственной геодезической сети
- Разработка методики оценки глубин протаивания грунта и их изменений для определения глубины закладки геодезических центров на территории Якутии
- Сравнение со «Схемой районирования Якутской АССР по значениям глубин сезонного оттаивания»
- Выявление геодезических центров скального типа на побережье моря Лаптевых и Восточно – Сибирского моря
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В соответствии с Федеральным законом Российской Федерации от 30.12.2015 №431-ФЗ «О геодезии, картографии и пространственных данных…» для обеспечения выполнения геодезических и картографических работ на территории Российской Федерации создаются и используются государственная геодезическая сеть (ГГС), государственная нивелирная сеть и государственная гравиметрическая сеть, в целях, соответственно, установления государственных систем координат, их распространения на территорию Российской Федерации и обеспечения возможности создания геодезических сетей специального назначения, распространения государственной системы высот и государственной гравиметрической системы на территорию Российской Федерации.
Государственная геодезическая (нивелирная, гравиметрическая) сеть
представляет собой совокупность геодезических (нивелирных, гравиметрических) пунктов, расположенных на обеспечиваемой территории в соответствии с установленными нормами плотности и закрепленных на местности специальными инженерными конструкциями – центрами, обеспечивающими их сохранность и устойчивость в плане и по высоте в течение длительного времени.
На сегодняшний день стабильность положения центров геодезических пунктов должна обеспечиваться в пределах нормативной точности определения их плановых координат и высот. Невыполнение данного требования исключает возможность эксплуатации геодезических пунктов и приводит к необходимости дорогостоящих повторных измерений и восстановительных работ. Разрушение центров фактически приводит к утрате геодезических пунктов.
В перспективе требования к обеспечению стабильности положения геодезических пунктов будут повышаться. Поэтому обеспечение надежного закрепления геодезических центров, сохранности и неизменности их положения в плане и по высоте в течение длительного времени приобретает большое значение для всей геодезической отрасли страны.
В современных условиях имеются три основных причины, которые вызывают разрушение или потерю стабильности положения геодезических пунктов:
4 хозяйственная деятельность субъектов; невыполнение требований действующих нормативных документов в отношении обеспечения сохранности пунктов ГГС при выполнении геодезических работ; природные процессы, в том числе процессы, связанные с изменением климата, одним из которых является увеличение глубины протаивания грунтов в зоне многолетней мерзлоты.
Районы многолетней мерзлоты занимают около 65% территории страны. В этих районах геодезические центры и реперы должны закладываться ниже глубины протаивания грунта, причем с определенным запасом прочности. Глобальное потепление климата увеличивает глубину протаивания грунта, в результате чего растет количество случаев нарушения требований инструкции к глубине закладки центров по отношению к нижней границе протаивания. Соответственно, обостряется вопрос о надежности и доверии к стабильности таких сооружений в зоне многолетней мерзлоты. Одним из наиболее крупных российских регионов вообще и регионов, испытывающих на себе влияние многолетней мерзлоты и протекающих в ней процессов, в частности, является территория Республики Саха (Якутия).
Степень разработанности темы. Исследования вопросов закрепления пунктов ГГС начали проводиться в нашей стране в середине 1930-х годов в ЦНИИГАиК под руководством С.Г. Пархоменко. В ходе этих исследований было выявлено значительное влияние промерзания и протаивания грунтов на устойчивость знаков. В 1950 году в ЦНИИГАиК под руководством М.С. Успенского были проведены исследования устойчивости геодезических знаков во всех наиболее типичных физико-географических зонах страны, для чего на территории СССР была создана сеть из 14 опытных площадок. Результаты этих исследований не потеряли своего основополагающего значения до настоящего времени. Существенный вклад в развитие практики обеспечения устойчивости и надежности геодезических знаков внесли Б.Г. Богданов, В.В. Гаревский, А.С. Ильин, Л.А. Кашин, В.И. Кафтан, Ю.А. Крюков, Е.Н. Кондратьева, А.Г. Малков, И.Н. Мещерский, И.С. Пандул, В.Д. Сибирцев, Х.К. Ямбаев, С.Г. Барабанщиков и др. Вопросы закрепления геодезических центров в многолетней мерзлоте нашли отражение в работах Б.Г. Богданова и Е.Н. Кондратьевой. Однако эти работы относятся к периоду
5 относительной стабильности многолетней мерзлоты. Кроме того, во всех указанных работах, датируемых серединой и концом прошлого века и ориентированных, соответственно, на традиционные геодезические измерения, не затронуты вопросы закрепления в условиях многолетней мерзлоты спутниковых геодезических построений. Следует отметить, что и в последующие годы этим вопросам, имеющим существенное значение с точки зрения современной геодезической практики, в отечественных и зарубежных публикациях не уделялось должного внимания.
С учетом отмеченных обстоятельств, а также большого количества геодезических центров и реперов, заложенных на территории Российской Федерации в районах многолетней мерзлоты, и в связи с намеченными перспективами развития в этих районах спутниковых геодезических сетей тема настоящего диссертационного исследования актуальна для развития отрасли геодезии и картографии и системы топографо-геодезического обеспечения Российской Федерации.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности работ по поддержанию в рабочем состоянии и созданию исходной геодезической основы в районах многолетней мерзлоты (в условиях глобальных изменений климата).
Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие основные задачи:
-
Провести анализ характеристик и современного состояния государственных геодезических и нивелирных сетей по типам центров, используемых для их закрепления на местности.
-
Уточнить требования к учету глубин сезонного протаивания грунта при аттестации существующих и создании новых геодезических пунктов в районах многолетней мерзлоты.
-
Разработать методику оценки глубин протаивания грунта и их изменений на территории Якутии, включающую моделирование глубин протаивания с использованием современных геоинформационных технологий.
-
Разработать методику учета влияния эрозионных изменений берегов арктических морей при оценке состояния существующих и планировании закладки новых геодезических пунктов.
-
Разработать предложения по практическому использованию указанных методик для учета влияния глобальных изменений климата, выражающегося в увеличении глубины протаивания грунта на территории Якутии и повышении интенсивности эрозионных процессов в прибрежных районах арктических морей, на стабильность геодезической основы в районах многолетней мерзлоты.
-
Разработать с использованием современных данных обновленную электронную карту глубин протаивания грунта на территории Якутии, предложения по ее размещению в сети Интернет и рекомендации по практическому использованию при оценке глубин заложения центров геодезических пунктов.
-
Разработать схему поправок в геодезические высоты за переход к нормальным высотам для поддержания системы высот и реализации метода спутникового нивелирования на территории Якутии и Российской Федерации в целом в условиях возможной утраты части пунктов Главной высотной основы (ГВО) под влиянием деградации многолетней мерзлоты.
-
Провести экспериментальные исследования по проверке теоретических положений и моделей, положенных в основу разрабатываемых методик.
Перечисленные задачи решались с использованием методов высшей геодезии, геодезической гравиметрии, математического и геоинформационного моделирования, статистического анализа и современных информационных технологий.
Научная новизна исследований заключается в постановке комплекса задач учета глобальных изменений климата на состояние геодезической основы районов многолетней мерзлоты, которые ранее не рассматривались в геодезических исследованиях, использовании для оценки реакции многолетней мерзлоты на изменение климата новых данных, полученных с сети станций Росгидромета и сети геокриологического мониторинга CALM, разработке и исследовании математических моделей для оценки сезонного протаивания грунта с использованием методов интерполяции, обеспечивающих получение приемлемой точности прогноза максимальных глубин в условиях относительно редкой сети станций наблюдения.
На защиту выносятся новые научные положения и результаты: 1. Обоснование необходимости учета последствий глобального изменения климата Земли, выражающихся в увеличении глубин сезонного протаивания грунта в районах многолетней мерзлоты и интенсификации эрозионных процессов в
7 прибрежной зоне арктических морей, при поддержании, развитии и модернизации государственных геодезических и нивелирных сетей.
-
Выполнено площадное моделирование поля глубин протаивания грунта на территории Якутии с использованием геоинформационных технологий, обеспечивающее адекватное отражение текущего состояния многолетней мерзлоты на данной территории в цифровом и графическом виде по имеющимся фактическим данным станций наблюдения и позволяющее проследить динамику изменения глубин протаивания грунта под влиянием глобальных изменений климата Земли.
-
Методика учета влияния глобальных изменений климата, выражающегося в увеличении глубины протаивания грунта на территории Якутии и интенсивности эрозионных процессов в прибрежных районах арктических морей, на стабильность геодезической основы в районах многолетней мерзлоты, позволяющая повысить объективность оценки состояния ГГС, надежность исходной геодезической основы в районах многолетней мерзлоты, уменьшить риски снижения качества и повышения трудоемкости выполнения работ по поддержанию и развитию геодезических сетей в сложных физико-географических условиях.
-
Технологии построения и экспериментальные образцы обновленной электронной карты глубин протаивания грунта на территории Якутии, созданной с использованием современных данных, и схемы поправок за переход от геодезических высот к нормальным высотам, обеспечивающие повышение достоверности оценки необходимых глубин закладки геодезических центров в условиях деградации многолетней мерзлоты и использование спутниковых методов развития высотной основы.
Личный вклад автора состоит в непосредственном участии в проведении всех теоретических и экспериментальных исследований, апробации результатов исследования, подготовке докладов и публикаций по теме диссертации. Вся обработка и интерпретация полученных результатов выполнена лично автором.
Теоретическая значимость диссертации заключается в разработке теоретических основ и математического обеспечения повышения точности и надежности учета глубин протаивания грунта по данным наблюдений при
8 поддержании в рабочем состоянии и развитии исходной геодезической основы в районах многолетней мерзлоты.
Практическая значимость диссертации заключается в разработке методик, вспомогательных средств и рекомендаций, позволяющих повысить объективность, достоверность и актуальность данных о необходимых глубинах закладки геодезических центров на территории Якутии и, как следствие, повысить эффективность работ по аттестации геодезических пунктов, поддержанию и развитию ГГС в условиях многолетней мерзлоты. Реализация предлагаемых в работе технологических и технических решений, в том числе, созданной автором современной по содержанию и форме карты протаивания Якутии для расчета глубины закладки геодезических центров, позволит оперативно определять необходимую глубину закладки контрольных центров ФАГС и ВГС, геодезических центров при развитии спутниковых геодезических сетей, и сетей нивелирования I и II классов, а также своевременно исключать из работ геодезические пункты, центры которых находятся в аварийном состоянии.
Степень достоверности результатов работы. Достоверность результатов
проведенных исследований определяется корректностью постановки задач,
предлагаемых путей и методов их решения, строгостью математического аппарата
обработки результатов наблюдений, использованием реальных данных о глубинах
протаивания в районах многолетней мерзлоты, обработкой и анализом
измерительной информации с помощью апробированного программного
обеспечения ведущих мировых производителей.
Апробация результатов работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на двух научно-технических конференция студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАиК, на заседаниях кафедры Высшей геодезии, семинарах в ЦНИИГАиК и ФБГУ Центра геодезии, картографии и инфраструктуры пространственных данных.
Публикации по теме диссертации. По теме диссертации автором опубликованы девять статей. Все журналы, в которых опубликованы статьи, входят в перечень изданий, рекомендованных ВАК.
9 Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка использованной литературы и девяти приложений. Диссертация изложена на 148 страницах. Список использованной литературы включает 108 наименований, в том числе, 34 на английском языке. Диссертация сопровождается 46 иллюстрациями, 9 таблицами и 9 приложениями.
Сравнительный анализ типов центров и реперов государственной геодезической сети
Основой геодезического обеспечения территории России является государственная геодезическая сеть. Она представляет собой совокупность геодезических пунктов, расположенных по всей территории и закрепленных на местности специальными центрами, обеспечивающими их сохранность и устойчивость в плане и по высоте в течение длительного времени [45].
Для повышения эффективности геодезического обеспечения России создается новая структура геодезических сетей, ориентированная на максимально возможное использование потенциала спутниковых методов определения координат [24].
Высшим звеном современной ГГС является ФАГС, обеспечивающая реализацию геоцентрической системы координат качественно нового уровня точности и целостность данной системы координат при последующем ее распространении по всей территории России с использованием спутниковых сетей нижестоящих классов точности (ВГС и СГС-1).
Государственные сети триангуляции и полигонометрии 1 – 4 классов в новой структуре являются сетями сгущения, предназначенными также для сохранения геодезического и картографического потенциала, накопленного в прежние годы. С этой целью выполнено новое уравнивание ГГС 1 – 4 классов с опорой на пункты ФАГС, ВГС, СГС-1. Результаты этого уравнивания обеспечивают возможность перевода всей системы геодезического и картографического обеспечения страны на использование единой государственной геодезической системы координат ГСК – 2011, установленной Постановлением Правительства Российской Федерации от 28 декабря 2012 года №1463.
Таким образом, координатная основа РФ в настоящее время реализуется ГГС, включающей в себя две основные составные части: ГГС 1 – 4 классов, созданную в прежние годы с использованием традиционных геодезических методов; ГСГС (ФАГС, ВГС, СГС-1), создаваемую с использованием методов спутникового позиционирования.
Высотная основа Российской Федерации реализуется государственной нивелирной сетью. Государственная нивелирная сеть Российской Федерации предназначена для распространения единой системы нормальных высот на территории всей страны. Государственные нивелирные сети I и II классов представляют Главную высотную основу России [16].
Гравиметрическая основа РФ реализуется Государственной фундаментальной гравиметрической сетью (ГФГС), которая насчитывает до 60 пунктов и Государственной гравиметрической сетью 1 класса (ГГС-1) около 500 пунктов. В настоящее время эти две сети развиваются абсолютным методом [80]. Абсолютные измерения выполняются на пунктах ФАГС и на пунктах ГГС-1, повышая таким образом точность измерений с 30 мкГал (маятниковые измерения силы тяжести) до современных 8 мкГал. Каждый пункт ГФГС и ГГС-1 имеет 2 -3 пункта – спутника, связи между которыми выполняются относительными гравиметрами с точностью близкой к 8 мкГал. Поддержание государственных геодезических, нивелирных и гравиметрических сетей сталкивается с проблемой обеспечения сохранности центров, которыми они закреплены. Наибольшую остроту эта проблема имеет для центров ГВО. Поскольку на сегодняшний день спутниковые методы не могут заменить нивелирование I и II классов, утрата центров ГВО влечет за собой необходимость выполнения повторного нивелирования с закладкой новых центров. Как следствие, утеря пунктов нивелирования связана с дополнительными трудовыми и финансовыми затратами.
Согласование государственной системы координат ГСК-2011 с государственной системой высот обеспечивается привязкой всех пунктов ФАГС и ВГС, а также значительной части пунктов СГС-1, к пунктам ГВО. Контроль этой привязки должен проводиться с периодичность один раз в год для пунктов ФАГС и не менее одного раза в три-пять лет для пунктов ВГС.
Новый облик ГГС определяют государственные спутниковые геодезические сети – ФАГС, ВГС, СГС-1 [45].
ФАГС состоит из постоянно действующих и периодически определяемых пунктов. Все пункты ФАГС фундаментально закреплены с обеспечением долговременной стабильности их положения в плане и по высоте. В настоящее время в состав сети ФАГС входят 55 пунктов (открытого и закрытого пользования), (7 периодически определяемых) 48 из которых являются постоянно действующими пунктами (Рисунок 1). В число открытых пунктов ФАГС входят 8 пунктов системы дифференциальной коррекции и мониторинга (СДКМ) Роскосмоса, 11 пунктов Российской академии наук (РАН), включая три пункта радио-интерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ), 5 пунктов Росстандарта и 9 пунктов Росреестра. Функционирование этих пунктов ФАГС обеспечивается по согласованной программе на основе соглашений о взаимодействии Росреестра с Роскосмосом, РАН и Росстандартом. Двадцать два пункта Росреестра являются пунктами закрытого пользования [40].
Разработка методики оценки глубин протаивания грунта и их изменений для определения глубины закладки геодезических центров на территории якутии
Стабильность положения геодезических знаков в зоне многолетней мерзлоты зависит от правильности выбора глубины их закладки. Глубина закладки определяется в первую очередь глубиной сезонного протаивания грунта.
В настоящее время расчет глубины закладки геодезических знаков производится в соответствии со «Схематической картой глубин промерзания и протаивания грунтов на территории СССР для установления глубин закладки центров и реперов», составленной ЦНИИГАиК в 1961 году и уточнявшейся в 1974 и в 1987 годах. Уточненная карта включается во все инструкции и руководства по производству геодезических и гравиметрических работ. Нужно отметить, что карта уточнялись с появлением новых данных. В период шестидесятых – девяностых годов прошлого столетия, увеличивалось количество станций, которые вели постоянные наблюдения за глубиной промерзания и протаивания грунта. Увеличился и период наблюдений на действующих станциях, что повысило надежность полученных на них данных о максимальных глубинах протаивания. Появилась возможность использовать, при уточнении карты на область сезонного протаивания, и другие, не использовавшиеся ранее материалы, в том числе и картографические.
В условиях глобального потепления климата, которое влияет, в том числе, на многолетнюю мерзлоту, требования геодезического производства к актуальности карт, на которых отражаются глубины протаивания грунта, повышаются.
Для расчета глубины закладки требуется знание максимальной глубины протаивания для конкретных условий расположения геодезического центра. Специфика геодезических работ состоит в том, что однотипные центры, как правило, изготавливаются заблаговременно партиями одинаковой высоты и на большие территории. Высота изделий ориентируется на наибольшую глубину протаивания для достаточно крупной территории, с тем, чтобы этой глубиной перекрыть все другие, меньшие глубины. Такой подход связан с заведомым преувеличением глубины закладки, для большой части центров. Однако, для геодезического производства не приемлемо, по ряду причин, требование, чтобы глубина закладки каждого центра отвечала индивидуальным условиям места закладки.
Глубина сезонного протаивания на территории Якутии в последнее время непрерывно увеличивается. Происходящие изменения должны учитываться как при оценке состояния существующих геодезических центров и реперов, так и при расчете глубины закладки новых. Исходя из этого, автором были проведены исследования по сбору, анализу и интерпретации современных данных о глубинах протаивания грунта на территории Якутии, результатом которых стало составление новой «Карты протаивания грунта Якутии для расчета глубины закладки геодезических центров и реперов».
Карта протаивания может быть построена традиционным методом линейной интерполяции (без применения электронных средств) и с применением современных программ в пакетах ГИС. Задача перевода с традиционных методов линейной интерполяции на современные методы построения карт в условиях изучения влияния изменения климата на геодезическую основу в многолетней мерзлоте представляется важной и актуальной. Поскольку методов интерполяции в ГИС может быть множество задача исследований сводится к тому, чтобы найти наилучший, именно для КГПГ территории Якутии. Преимущества современных методов интерполяции в ГИС заключаются в оперативности, возможности проведения разностороннего анализа и может быть использована для различных реализаций в геодезических приложениях в Интернет.
Республика Саха (Якутия) является самым крупным регионом России. На огромную область распространения многолетней мерзлоты на территории Якутии (площадь республики составляет 3 083 523 км) имеется относительно небольшое количество данных непосредственного определения глубин протаивания почвы. Например, согласно [7] в 1984 году наблюдения в Якутии велись на 38 метеостанциях. К настоящему времени число метеостанций Росгидромета уменьшилось до 28. Расположены они в центральной и южной Якутии. На севере Якутии в настоящее время станции Росгидромета отсутствуют (Рисунок 11). Однако в последнее время появились новые данные о глубинах сезонного протаивания в Якутии, прежде всего, данные международной сети мониторинга глубины сезонного оттаивания вечной мерзлоты CALM.
Для построения современной карты сезонного протаивания грунта на территории Якутии использовались все доступные данные, в том числе данные метеостанций Росгидромета (28 станций) и данные станций CALM (10 станций)
Данные о максимальной месячной температуре почвы со станций CALM, находящихся на территории Якутии, за период 2006 – 2010 годов были взяты из открытого доступа в сети Интернет. Сведения о максимальной месячной температуре почвы (C) на глубинах за период 2006 – 2010 годов по данным метеостанций были предоставлены ФГУ «Якутское УГМС». Таким образом, всего для составления карты были использованы данные наблюдений с 38 станций на территории Якутии за период с 2006 по 2010 год. Исходные данные, полученные из открытого доступа Интернет проекта CALM, включали в себя данные об окончательном значении глубины протаивания, то есть глубины на которых температура принимает значение 0 C и поэтому не требовали дополнительной обработки. Специфика информации, поступившей от ФГУ «Якутское УГМС» заключалась в том, что значения температуры по вытяжным термометрам на метеостанциях определялись на фиксированных глубинах (0,8 м., 1,2 м., 1,6 м, 2,4 м. и 3,2 м.). Поэтому, для нахождения глубины на которой температура принимает значения нуля, потребовалась интерполяция. Учитывая, что температура изменяется с глубиной не линейно, значения нуля определены используя аппроксимирующее уравнение по данным измерений. После того, как были найдены глубины протаивания для всех метеостанций Росгидромета Якутии за период с 2006 по 2010 год, из них были отобраны максимальные значения. По максимальным значениям глубины протаивания метеостанций проекта CALM и ФГУ «Якутское УГМС» с помощью линейной интерполяции была построена КГПГ Якутии (Рисунок 11).
Сравнение со «Схемой районирования Якутской АССР по значениям глубин сезонного оттаивания»
Основополагающими документами для формирования требований к информационному обеспечению изучения в картографическом, геодезическом и гравитационном аспектах высокоширотных районов служат «Основы государственной политики Российской Федерации в Арктике на период до 2020 года и дальнейшую перспективу», утвержденные Президентом Российской Федерации 18.09.2008 (Пр-1969), и план мероприятий по их реализации.
Согласно этим документам, основные национальные интересы России в Арктике включают в себя: использование Арктической зоны Российской Федерации в качестве стратегической ресурсной базы, обеспечивающей решение задач социально-экономического развития страны; использование Северного морского пути в качестве национальной единой транспортной коммуникации РФ в Арктике.
Привлекательность Арктики обусловлена тем, что в ней находится до четверти всех запасов углеводородов планеты. Арктический шельф богат и другими полезными ископаемыми: углем, золотом, медью, никелем, оловом, платиной, марганцем и т.д. Большие экономические выгоды как для приполярных, так и неарктических стран сулит освоение Северо-Западного прохода (Канада) и Северного морского пути (Россия).
На основе действующих норм международного права Президентом РФ определены главные цели государственной политики Российской Федерации в Арктике, в число которых входят, в том числе: в сфере науки и технологий - обеспечение достаточного уровня фундаментальных и прикладных научных исследований по накоплению знаний и созданию современных научных и геоинформационных основ управления арктическими территориями, включая разработку средств для решения задач обороны и безопасности, а также надежного функционирования систем жизнеобеспечения и производственной деятельности в природно-климатических условиях Арктики.
Для достижения этих целей необходимо решить ряд ключевых задач, которые связаны с осуществлением геолого-геофизических, гидрографических, картографических, гравиметрических и геодезических работ по подготовке материалов для обоснования внешней границы Арктической зоны Российской Федерации.
Существуют и другие причины, которые требуют сбора и анализа океанографической и гидрометеорологической и других видов геопространственной информации не только в секторе Российской Арктики, но и по созданию системы прогнозирования и оценки последствий глобальных климатических изменений, происходящих в Арктической зоне под влиянием естественных и антропогенных факторов, в среднесрочной и долгосрочной перспективе, включая повышение устойчивости объектов инфраструктуры.
В настоящее время в Арктике происходит одно из самых быстрых и значительных изменений климата на Земле [75]. Последствия изменений климата, связанных с глобальным потеплением, отражаются, в том числе и на морских берегах. Это подтверждают многолетние исследования береговой части арктических морей. Изучению были подвергнуты более ста тысяч квадратных километров территории вблизи береговой линии. В результате ученые пришли к выводу, что по причине эрозии арктические берега стремительно разрушаются. В прибрежных зонах моря Лаптевых, Восточно – Сибирского моря и моря Бофорта скорость эрозии доходит до трех метров в год. Аналогичные процессы наблюдаются у побережья Аляски, где в районе Drew Point скорость эрозии достигает 8.4 метра в год [98].
В Арктике прослеживается устойчивая тенденция протаивания мерзлоты на все большую глубину. Моря стали замерзать позже, а иногда совсем не замерзают. Например, намного меньше льда образовывается в Гудзоновом заливе, Гудзоновом проливе, проливе Дэвиса. В январе 2011 года море около Лабрадора не замерзло. Изменения, происходящие в российском секторе Арктики, могут привести к круглогодичному освобождению ото льда Северного морского пути. Моря, остающиеся безо льда, легко разрушают берега. Иногда в течение одного сильного и продолжительного шторма при блоковом разрушении пород изменение береговой линии может составлять 10 – 20 метров.
Модельные расчеты [75] показывают, что потепление в Арктике будет значительно больше по величине, чем среднемировое (в некоторых регионах более чем в два раза). Хотя эти модели расходятся в своих прогнозах некоторых особенностей изменения климата, все они сходятся в том, что окружающий мир будет значительно теплеть, и потепление в Арктике будет наиболее интенсивным.
Выявление геодезических центров скального типа на побережье моря Лаптевых и Восточно – Сибирского моря
Просматривается наличие большого количества скальных центров (особенно для нивелирования II класса) в районе Верхоянского хребта, который находится в центральной Якутии, а также на юге республики, там, где протаивание характеризуется наибольшими глубинами.
Приведенные схемы показывают, что центры скальных типов ГВО в целом расположены по всей территории Якутии, включая побережье северных морей. Таким образом, количество и распределение пунктов ГВО со скальными типами центров в целом можно отнести к факторам, способствующим сохранению высотного обеспечения территории Якутии в условиях глобальных изменений климата.
Учитывая увеличение глубины протаивания грунта на территории Якутии и в других районах многолетней мерзлоты, при развитии государственных спутниковых геодезических сетей в этих районах необходимо стремиться к максимально возможному закреплению пунктов таких сетей центрами скальных типов, имея в виду и совмещение пунктов с реперами ГВО, закрепленных центрами скальных типов. Только в этом случае можно рассчитывать на сохранение государственной системы нормальных высот в зоне многолетней мерзлоты.
Геодезические пункты, закрепленные центрами скальных типов, целесообразно использовать для контроля деформаций ГГС в зоне многолетней мерзлоты. Для повышения надежности контроля целесообразно привлекать устойчивые геодезические пункты, расположенные по периферии зоны многолетней мерзлоты. Однако при этом необходимо учитывать следующие обстоятельства. Граница зоны многолетней мерзлоты огромна и простирается на тысячи километров. Как следствие, создание и поддержание по всей линии периферии контрольных пунктов может представлять собой сложную задачу. К этому следует добавить, что, согласно имеющимся прогнозам, в ближайшие десятилетия граница зоны многолетней мерзлоты сдвинется на север, на десятки километров. Вследствие этого расстояния от внешних контрольных пунктов до границ контролируемой зоны увеличатся, что усложнит задачу контроля геодезических пунктов, находящихся в зоне многолетней мерзлоты.
Выполненные автором исследования по аттестации геодезических центров заложенных в зоне многолетней мерзлоты и исследования по расположению геодезических пунктов, закрепленных скальными центрами в зоне многолетней мерзлоты позволяют сделать определенные выводы.
Напрашивается вывод о контролях зон многолетней мерзлоты в геодезическом отношении из самой зоны многолетней мерзлоты, а именно с опорой на скальные типы центров, которые имеют высокоточные отметки нормальной высоты. В тех районах, где нет выходов скальных пород нужно предусмотреть закладку глубоких (глубинных) типов центров, либо оборудование уже заложенных центров термостабилизаторами [27].
Схема контроля скальных центров внутри зоны многолетней мерзлоты должна осуществляться следующим образом:
1. На начальном этапе из скальных центров отобрать наиболее устойчивые путем сравнения старых измерений и выполненных измерений относительно недавно. Из этой линии отобрать группу центров. Таких групп по всей зоне многолетней мерзлоты должно быть несколько.
2. Эти несколько наиболее устойчивых центров также должны контролироваться между собой высокоточной нивелировкой и спутниковыми измерениями.
3. От этих наиболее устойчивых центров должен производиться контроль по всей территории многолетней мерзлоты.
Нефтяное и газовое освоение шельфа северных морей предполагает развитие постоянно – действующих пунктов ГГС на примере ФАГС. Глобальное потепление и влияние оного на деградацию многолетней мерзлоты не позволяют более размещать спутниковые геодезические пункты в местах их классического размещения. На основе выполненных обследований [67], рекогносцировки островов и прибрежной зоны желательно рассмотреть вопрос о возможности организации в секторе Российской Арктики постоянно – действующих пунктов фундаментальной астрономо-геодезической сети (ФАГС). Данный регион не оснащен пунктами ФАГС, что приводит к отсутствию современного геодезического обеспечения в нем. Согласно нормам плотности пунктов Инструкции [45], чтобы покрыть сектор российской Арктики необходимо создание как минимум 20 пунктов ФАГС и не менее 60 пунктов ВГС [67]. Более того, для размещения постоянно – действующих пунктов ФАГС на побережье северных морей необходимо учитывать следующие факторы: 1. Современную глубину сезонного протаивания (для увеличения глубины закладки самого центра). 2. Постоянно – действующие пункты должны закрепляться в скальные породы. 3. Пункты контроля спутниковых сетей должны быть расположены на скальных типах центров, а в идеале на скальных типах центров ГВО. Для согласования ГСК – 2011 и нормальной системы высот. 4. Схема расположения постоянно – действующих пунктов на побережье северных морей должна быть пересмотрена. Возможно расположение пунктов не на самом побережье, а в глубину материка на 20 – 40 километров, в трудно – доступных местах на вершинах холмов и гор. Это позволит избежать влияния деградации многолетней мерзлоты и закреплять пункты скальными типами центров. К таким пунктам нелегко будет добраться и это будет весомой антивандальной составляющей. Расположение внутри континента позволит избежать рисков утраты пунктов из – за размыва береговой линии северных морей [67]. Для более подробного проектирования пунктов ФАГС можно рассмотреть каждое северное море отдельно и определить места для закладки геодезических центров. Также можно определить существующие реперы ГВО, подгрузив координаты реперов из экспериментальной Базы данных.